摩尔定律是什么,摩尔定律大白话解释

摩尔定律还可以继续吗？

75年前晶体管被发明，不久之后集成电路（IC）诞生了。晶体管的特征尺寸逐渐变得更小，随之而来的是价格更便宜。这就是著名的摩尔定律。如今，复杂的处理器芯片包含超过1000 亿个晶体管，但扩展速度已经放缓，提高特定应用芯片的性能不再是唯一甚至主要的设计目标。摩尔定律将如何进一步发展？三维（3D）集成等新设计方法将侧重于提高信息处理速度，而不仅仅是增加芯片上晶体管的密度。

尽管摩尔定律预测了每个晶体管的成本下降的速度，但晶体管尺寸通常被认为是二维(2D) 芯片阵列的面积尺寸或“足迹”。过去75年来，随着特征尺寸从微米级减小到纳米级，新制造技术实施中的问题一再引发人们对“摩尔定律终结”的担忧。二十年前，人们普遍对一些难以规模化的技术的发展持悲观态度。即使在这种背景下，M.S.L.预测金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 在所谓的65 纳米节点（2003 年最先进的节点）以下的微缩不会放缓，而是在达到微缩极限之前至少十年内保持不变。

事实上，从2003 年每个芯片约1 亿个晶体管到如今每个芯片约1000 亿个晶体管，这一进步仍在继续。一种方法是通过提高开关电流比来保证实际运行并抑制漏电流以减少功率浪费。 2003年，推出应变硅（应变硅）并用作沟道材料，通过提高电子速度来提高通态电流。 2004年，推出高介电常数的栅极绝缘体，以降低断态漏电流。 2011年，FinFET（一种非平面晶体管结构）被引入商用集成电路，通过栅电极优化增加了对能垒的静电控制（从而提高了开关电流比）。目前正在开发进一步改善栅极静电控制的“全方位栅极晶体管”（栅极全能晶体管）。可以制造的晶体管的尺寸受到图案化和蚀刻的限制。图案化是通过称为光刻的过程完成的。在光刻技术中，光敏聚合物在芯片上形成掩模以进行蚀刻。图案的最小尺寸由所用光的波长决定。最近出现的极紫外光刻（EUV）使得摩尔定律延续到小于7纳米的节点成为可能。

二维（2D）纳米电子学、三维（3D）超大规模集成和功能化集成都可以扩展摩尔定律，但它们都面临着巨大的挑战和根本限制。

芯片上晶体管的数量仍在增加，但由于较小的晶体管的能力有限，增加的速度已显着放缓。具体来说，沟道的长度（源极和漏极之间的区域，栅极充当开关）现在为10 纳米。在沟道长度较短时，量子隧穿效应（量子机械隧道效应）会降低晶体管性能。诸如开态电流（应尽可能高以实现高速运行）、关态电流（应尽可能低以最大限度地减少待机功耗）和电源电压（应尽可能低以最大限度地减少功耗）等关键性能指标都将同时降低。硅MOSFET现在已经是尽可能最小的尺寸，而二维芯片的面积已经是尽可能最大的尺寸，因此必须找到新的方法来提高性能。

通过从通用商品芯片转移到特定功能芯片，其性能得到了显着提高。例如，硬件加速将特定任务卸载到专用芯片，例如图形处理单元或专用集成电路。像苹果这样的公司现在正在沿着这些路线设计芯片以满足他们的特定要求，所有主要汽车制造商也是如此。计算是机器学习发展的限制因素，谷歌等公司也在设计自己的人工智能（AI）加速器芯片。定制芯片设计对性能提升的效果非常明显，但正如芯片制造商（晶圆厂）的成本不断增加（从2000年的10亿美元增加到200亿美元）一样，先进设计的成本也增加。设计一款尖端芯片的成本可能高达5 亿美元，并且需要1000 名工程师组成的团队。可能通过使用机器学习技术来降低尖端定制芯片设计的成本，将是下一个电子时代的关键挑战。

芯片产业的持续进步也需要基础技术的发展。尽管芯片上晶体管的数量已急剧增加（通过减小其尺寸和增加芯片面积），但直到最近设计的一个方面基本上保持不变，即在电路板上放置单个芯片以及其他芯片和其他组件（例如电感器横向封装与组合印刷）。在片内和片外发送信号会增加延迟和功耗。

一个新兴的设计理念是利用第三个维度（垂直维度）实现万亿级集成（TSI），将数万亿个晶体管集成到单片或堆叠芯片中，并以每秒太比特每毫米（每毫米指芯片之间的通信链路距离）的通信速度将它们进行电气或光学互连。例如，3D NAND闪存器件（基于NAND逻辑门并在断电时保持其状态）可以拥有近200层和5000亿个存储晶体管。新兴逻辑晶体管采用新的沟道材料（例如过渡金属二硫属化物和氧化铟），可以在低温下加工并嵌入互连堆栈中，为进一步改进提供了窗口。

第三维度还开启了逻辑、存储器和功率晶体管垂直异构集成的可能性。通过通孔工艺，垂直连接芯片的金属线，可以将芯片堆叠在一起，使它们在物理上靠近，这可以最大限度地减少信号延迟并降低功耗。垂直堆叠的逻辑和存储芯片还支持新的计算范例，例如“内存计算”。单片3D 集成电路将由多层有源器件（例如2D 逻辑晶体管、磁阻随机存取存储器和铁电场效应晶体管）以及连接它们的金属线组成。

最近封装技术有了3D 芯片和基板之间的硅中介层和多芯片集成—— 等新进展创建了更密集的横向互连和更快的芯片间通信。先进封装通过与堆叠或单片3D 集成电路相当的并行集成将逻辑、存储器、电源管理、通信和光电器件结合在一起。

单片3D 集成要求生长或沉积步骤不会影响已处理的层。例如，嵌入互连堆叠中的晶体管必须在足够低的温度下沉积，以免影响下面的硅晶体管的掺杂特性。除非开发出特殊的工艺，否则所需的材料通常是不相容的。堆叠已处理的2D 芯片来实现3D 系统有其自身的材料和处理挑战，例如保持1 至5 微米距离的互连对齐。硅高低压逻辑和存储晶体管、化合物半导体功率和高频晶体管等组件的异构集成带来了另一组复杂的集成挑战。

晶体管在工作时不可避免地会产生热量，散热这是当今电子设备的一个关键问题。事实上，在

异构IC

热串扰逻辑、存储器、功率晶体管和电感器之间的热串扰给器件设计带来了前所未有的挑战。当数万亿个晶体管靠近放置时，散去热量的新方法（也许是为了模仿生物体的温度调节）和热感知设计将变得至关重要。

电子系统必须保证可靠性一段时间，通常是10年，但有些应用需要数十年的可靠性。为了确保具有1000 亿个晶体管的集成电路只能有1-10 个晶体管失效，需要预测1000 亿个晶体管(~10^18) 的可靠性。实际上，可靠性一般由短期加速测试决定，晶体管不超过几千个。因此，需要以前所未有的精确度来理解这些新系统的“磨损”和可靠性物理特性。当如此多的设备相互连接并放置得很近时，就会出现必须管理或利用的新现象。

明天的万亿级系统将与今天的千兆级系统有根本的不同，因为理解系统的构建模块并不能直接帮助我们理解这些模块如何相互作用。 —— 新现象可能出现。芯片设计已经如此复杂和昂贵，但用于放置3D 设计并将其互连的算法或工具尚不存在。这些设计工具必须模拟工艺和封装集成的复杂性、3D IC 之间的热串扰以及封装系统的特定操作可变性和可靠性。

新材料、新加工工艺在研究中开发出来，必须转化为大规模生产。将研究级设备取得的进展转化为使用当前制造设备的大规模制造是实验室到工厂转换的严峻挑战（“lab to fab”）。科学研究界将需要更先进的制造设备，并且需要最大限度地减少概念-实施-分析学习周期（“构思-实施-分析”）。

散热问题

将成为万亿级3D集成芯片发展的限制，就像隧道效应阻碍2D缩放一样。但这并不意味着摩尔定律的终结。计算的目标不是每秒执行的操作，而是每秒处理的信息。在这方面，生物学提供了指导。人类感官在将信息传输到大脑之前先在本地处理信息。与模拟世界接口的增强边缘传感功能，加上本地内存和数据处理（边缘分析），可以防止数据泛滥和淹没计算机。

电子行业正处于拐点。 75 年来，晶体管的尺寸变小一直是可能的，但这不会成为未来几十年进步的引擎。如果摩尔定律被理解为意味着每个集成系统（不一定是每个芯片）晶体管数量的增加，那么摩尔定律将不会结束。晶体管数量的增加不会通过缩小尺寸来实现，而是通过将它们垂直堆叠或横向组合在复杂的封装中，最终形成单片3D芯片并增加功能。

从纳米电子学（专注于减小晶体管尺寸）到万亿级电子学（由增加晶体管和相关功能的数量驱动）的转变定义了未来的范式转变和核心研究挑战。它需要材料、设备、加工以及人类有史以来最复杂的系统设计和制造的根本性进步。一日，电子隧穿又“热点瓶颈”

将成为3D集成发展的限制（电隧道和热瓶颈）。在那之前，随着研究人员解决这些极其复杂的电子系统的挑战，摩尔定律可能会继续下去。

文献信息：Lundstrom MS，Alam M A，2022:378,722-723。编译：穆大河

不代表中国科学院物理研究所立场

什么是摩尔定律？

近半个世纪以来，摩尔定律一直是指导半导体行业发展的基石。它不仅是技术进步的预言，也是科技领域不断创新的见证。要充分理解摩尔定律的影响和意义，首先要了解它的起源、内容，以及它对整个信息技术产业的深刻影响。

1. 摩尔定律的起源1965年，英特尔联合创始人、半导体行业先驱戈登摩尔在一篇文章中预测，集成电路上的晶体管数量大约每两年就会增加一倍。这一预测后来以他的名字命名为“摩尔定律”。最初的预测是每年翻一番，但在1975 年，摩尔调整了他的预测，认为每两年翻一番更为合适。

2. 定律的内容简单地说，摩尔定律描述了晶体管密度和计算能力的指数增长。随着时间的推移，集成电路上晶体管的数量不断增加，尺寸不断减小，使得计算机的性能显着提高，同时成本降低。

3. 深远的影响摩尔定律的影响不仅限于半导体制造。它为全球IT产业提供了明确的发展方向，成为产业的驱动力。

技术进步： 得益于摩尔定律，我们能够见证计算能力的爆炸式增长。这使得前所未有的应用和技术成为可能，例如人工智能、大数据分析、虚拟现实等。

经济影响： 摩尔定律刺激了大规模的技术创新，导致市值达到数十万亿美元。同时也给消费者带来了越来越便宜、性能越来越好的电子产品。

社会变革： 从移动通信到云计算，摩尔定律在所有这些领域中都发挥着核心作用。这些技术彻底改变了我们的生活、工作和娱乐方式。

4. 面临的挑战尽管摩尔定律指导了技术进步半个世纪，但随着技术的进一步发展，这条定律也面临着越来越大的挑战。随着晶体管尺寸缩小，量子效应和其他物理限制开始出现，使得工艺技术的进步变得困难。

5. 未来展望尽管面临挑战，摩尔定律并没有完全失去其预测价值。新材料、新设计方法和创新技术可能会开辟新的道路，使摩尔定律得以延续，或至少部分延续。

6. 影响领域的扩散摩尔定律的应用已经远远超出了最初的集成电路领域。我们看到从生物技术、纳米技术到新能源等领域都出现了类似的指数增长模式。例如，基因测序的成本正在急剧下降，而太阳能电池板等新能源技术的性能相对于其成本正在呈指数级提高。

7. 社会文化的影响摩尔定律不仅影响我们使用的科技产品，也深刻改变我们的文化和思维方式。如今的年轻一代已经习惯了技术快速迭代的时代，更容易适应变化、拥抱新事物。与此同时，摩尔定律也催生了“快速启动”文化。企业家知道，如果他们不迅速采取行动，技术进步很快就会使他们的产品或服务过时。

8. 摩尔定律的局限性然而，无论摩尔定律多么有预见性，我们也必须认识到它的局限性。技术进步并不总是一帆风顺。有时需要跨越巨大的技术障碍。此外，虽然硬件性能不断提高，但软件和其他系统的复杂性也在不断增加，这可能会限制我们从硬件进步中获得的实际收益。

9. 技术的考量随着科技尤其是摩尔定律驱动的科技的飞速进步，我们也面临着很多问题。人工智能、基因编辑等领域的发展引发了关于技术使用边界、数据隐私和安全的讨论。

结论摩尔定律不仅是对技术的预言，更是一个时代的象征，代表着人类对未来的期待和对创新的追求。尽管摩尔定律未来可能会遇到更多挑战，甚至可能有一天不再适用，但它所代表的探索精神和创新思维将永远与我们同在。

摩尔定律何时会失效

近期，摩尔定律何时到期的话题成为众多芯片厂商的热门话题。由于这条定律被半导体行业奉为金科玉律，其未来的命运吸引了众多业内人士的关注。

1965年，美国英特尔公司联合创始人戈登·摩尔博士撰文指出，芯片中晶体管的数量每年都会增加一倍，半导体的性能和容量将呈指数级增长。这就是摩尔定律的雏形。 1975年，摩尔博士修改了该定律：每24个月，晶体管的数量就会增加一倍。将晶体管数量加倍的好处是：更快、更小、更便宜。这就引出了摩尔定律——的经济效益。对于芯片来说，集成度越高，晶体管就越便宜。摩尔定律不是物理定律，也不是科学理论，而是对芯片发展趋势的分析和预测。

摩尔博士提出这一定律时，集成电路刚刚出现七年，这一预测在当时是非常具有前瞻性的。回顾计算机的发展，过去50年的事实证明摩尔博士的预测是准确的。尽管晶体管数量翻倍的周期从一年延长到了现在两年，但摩尔定律仍然有效，并成为芯片技术发展的主要推动力。

摩尔定律是信息技术发展的指路明灯。这一规律不仅揭示了信息技术进步的速度，也揭示了计算机科学的内涵及其发展规律。计算机已经从神秘莫测的庞然大物变成了大多数人不可或缺的工具。信息技术已经从实验室走进了无数普通家庭。互联网已经连接了整个世界。多媒体视听设备丰富了每个人的生活……可以说，摩尔定律决定了信息技术的变革正在加速，技术和产品创新大致遵循着这一定律的节奏。他们中的大多数会超越前者，成为先锋，而落后者则很容易被淘汰。

这一切背后的驱动力是半导体芯片。如果按照旧的方式将晶体管、电阻器和电容器安装在电路板上，不仅个人电脑和移动通信无法使用，而且基因组研究、计算机辅助设计和制造等新技术也无法实现。有关专家指出，摩尔定律不再只是芯片技术的定律。未来很可能延伸到无线技术、光学技术、传感器技术等领域，成为人们在未知领域探索和创新的指导思想。

由于芯片技术的快速发展，摩尔定律受到了一定的限制，主要包括随着芯片中安装更多的晶体管而产生的电子能量泄漏和散热现象。 Moore博士曾表示，随着越来越多的集成电路集中在狭小的空间内，设计人员必须集中精力克服能量泄漏和减少散热。

毫无疑问，摩尔定律对整个世界有着深远的影响。然而，随着晶体管电路接近其性能极限，这一定律将会结束。具体什么时候会失败？专家们多年来一直在争论这个问题。事实上，早在1995年在美国芝加哥举行的国际信息技术研讨会上，美国科学家Jack Kilby博士就表示，5纳米处理器的出现可能会终结摩尔定律。中国科学家、未来学家周海中教授在本次研讨会上预测，由于纳米技术的快速发展，摩尔定律很可能在30年后失效。不久前，摩尔博士认为这一定律到2020年将会黯然失色。近日有专家指出，即使摩尔定律终结，信息技术进步的步伐也不会放缓，因为量子计算时代已经到来。

无论如何，摩尔定律自诞生以来一直引领着信息技术的发展，整个技术进程也一直沿着它的预测前进。它将激励人们不断创新科技，让生活更加美好。